IEA IETS Annex 17: Vacuum membrane distillation multi-component numerical model for ammonia recovery from liquid streams - Numerisches Mehrkomponenten-Vakuum-Membrandestillationsmodell für die Rückgewinnung von Ammoniak aus flüssigen Strömen (2020)

Das Mehrkomponenten-Simulationsmodell eines VMD-Plattenmoduls wurde durch die Implementierung von Wärme- und Massenbilanzen durch die Feed-, Membran- und Permeatkanäle entwickelt. Eine detaillierte Beschreibung des mathematischen Modells und wichtige Diskussionen über Schlüsselaspekte der Modellierung sind in dem Artikel zu finden. Das Modell wurde anhand einer Reihe von Laborexperimenten validiert und zeigte eine gute Übereinstimmung. Die vom Modell beschriebenen Trends stimmen mit den Beobachtungen anderer Autoren überein und geben Aufschluss über die Mechanismen, die bei der Ammoniakabscheidung mittels VMD vorherrschen, sowie über deren Leistungsgrenzen.

Die wichtigsten Schlussfolgerungen aus den Modellvorhersagen lauten wie folgt: VMD kann Ammoniak auf der Permeatseite bei einem niedrigen spezifischen thermischen Energiebedarf (Specific Thermal Energy Consumptiom, STEC) extrahieren und konzentrieren. Der Ammoniakfluss der Membran wird stark durch die Ammoniakkonzentration im Zulauf begrenzt. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn man mit niedrigen Ammoniakkonzentrationen arbeitet, wie sie in Abwässern vorkommen (d.h. ~1 g/l), und die Kosteneffizienz der Rückgewinnung bewertet. Parameter, die den Wärmeübergang durch die Membran verbessern (d. h. Zulauftemperatur, Porengröße, Porosität usw.), begünstigen im Allgemeinen den Wasserfluss gegenüber dem Ammoniak. Während die Parameter, die den freien Ammoniak-Massentransfer im Feed verbessern (d. h. pH-Wert, Ammoniakkonzentration im Feed, Feedgeschwindigkeit, Spacer-Geometrie usw.), den Ammoniakfluss gegenüber dem Wasserfluss fördern. Der einzige Betriebsparameter, der gleichzeitig den Ammoniakfluss und die Selektivität erhöht, ist die Feedgeschwindigkeit. Das Modell und die Versuche verdeutlichen den bestehenden und unvermeidlichen Kompromiss zwischen Ammoniakfluss und Ammoniakselektivität.

Zusätzlich wurde das Modell verwendet, um die Auswirkungen der Eigenschaften der MD-Membranen auf die Prozessleistung zu untersuchen. Eine der wichtigsten Schlussfolgerungen zeigt, dass die derzeitigen MD-Membranen keinen bevorzugten Transport von Ammoniak gegenüber Wasser unter VMD-Bedingungen ermöglichen. Im Gegenteil, beide flüchtigen Stoffe werden mit der gleichen Geschwindigkeit transportiert (d.h. ähnlicher Membran-Massentransferkoeffizient) und ihr Fluss und ihre Selektivität werden nur durch ihre jeweiligen transmembranen Partialdrücke und Konzentrationen bestimmt. Die Sensitivitätsanalyse der Membraneigenschaften deutet darauf hin, dass dichtere Membranen (mit geringer Porosität) und Membranen mit kleinerer Porengröße eine bessere Selektivität bieten, aber in jedem Fall wird der Kompromiss zwischen Fluss und Selektivität weiterhin vorherrschend sein.

IETS Annex 17: Vacuum membrane distillation multi-component numerical model for ammonia recovery from liquid streams